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【汇总】2019年4月专题
真的存在麦克斯韦妖怪吗？
麦克斯韦 James Clerk Maxwell
麦克斯韦，1831年6月13日 ~1879年11月5日，一位伟大的英国物理学家，被公认为“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”，他建立了第一个完整的电磁理论体系，预言了电磁波的存在，指出光、电、磁现象的本质的统一性，这一理论奠定了现代的电力工业、电子工业和无线电工业的基础。
但麦克斯韦生前他的电磁动力学理论并不被学界所接受，他的课堂甚至冷清的只有两位学生。直到1888年德国物理学家赫兹测得电磁波的速度与光速完全一致，才正式的验证了麦克斯韦的光电磁统一理论。
19世纪初，青年时代的爱因斯坦在尝试协调牛顿力学和麦克斯韦电磁学的矛盾过程中，在1905年创造性的建立了狭义相对论，揭开了物理学革命的大幕。
热力学第二定律
麦克斯韦生活的时代是以蒸汽动力研究为主的热力学时代。在热力学中，熵描述了系统在微观分子领域的无序性，越是混乱随机，其熵越大。
热力学第二定律指出，随着时间的推进，封闭系统的熵只可能增大，最终达到熵最大的热平衡态，就是所有分子都完全随机自由的分布在整个系统空间中。
麦克斯韦妖 Maxwell’s Demon
麦克斯韦在1867年最初提出了一个关于热力学的假想实验，用以讨论是否可以实现违背热力学第二定律的情况。
如上图所示，左右AB两个连通的盒子，其中的气体分子已经达到自由随机的最大熵热平衡态，这时候绿色的小妖怪开始用绳索控制中间通路小门的开关。
当小妖怪发现左侧A盒中的高能分子（跑得快的红色分子）想要通过小门进入B盒的时候，它就打开门，而如果A盒中的低能分子（跑的慢的蓝色分子）想要通过小门进入B盒的时候，它就关闭小门不让通过。
而对于右侧B盒的情况则相反，小妖怪只让低能分子通过小门进入A盒，而阻拦高速分子离开B盒。
这么一来经过一段时间之后，A盒中就充满了低能分子，B盒中就充满了高能分子，换句话说就是B盒温度升高，A盒温度降低，形成了可以做功的温度差。同时这样的微观状态也更加有序，熵被降低了。
悖论问题
如果我们假定小妖怪处于AB盒中，那么这无疑是违背热力学第二定律的。但问题在哪？
麦克斯韦妖假想实验最大的问题在于忽略了小妖怪的能量消耗问题。忽略了小妖怪如何测量每个分子动能（速度）这个关键问题。
所有的测量必须要通过粒子交互才能实现。没有光子我们就无法看到任何对象，而无论是发射、吸收粒子还是改变粒子的状态，都需要能量的参与。
聪明的小妖怪确实可以通过观察来判断每个分子的速度和动能，通过开关门（我们假设开关门这个动作不消耗能量）来分隔低能和高能分子，进而减少整个盒子里气体分子的总熵量。——但是，这个观察判断行为必然导致小妖怪自身能量的消耗，导致自身的熵增加。所以对于整个盒内系统（分子加小妖怪）来说并不会违背热力学第二定律，熵只可能增加而不可能减少。
注意，现实世界熵并不能保持不变，而是只增不减。所以经过小妖怪一波骚操作之后，整个系统熵更多了。
如果我们把小妖怪挪到盒子之外，那么这就变成一个非封闭的开放系统了，因为小妖怪在外部通过绳子对盒子系统产生了干预。实际上这种通过外部手段，向系统内注入能量，以实现高能分子和低能分子的分割技术，已经在很多电子领域尤其是纳米技术中获得了应用。
获取信息的代价
在牛顿经典力学的时代，获取信息是不需要代价的，智能体对物理世界的观察并不消耗任何能量，也不会对物理世界产生任何影响。
你看或者不看，世界都如此这般的运行。
然而在微观世界，看或观察，本身就是一种光电性质的物理行为，必然对粒子的状态产生影响。
进入到量子力学之后，观察行为是概率世界的波函数坍缩的必要前提。或者说是：
你不看，这世界便是混沌的，你看时，一切才变得明白起来。
麦克斯韦妖是关于热力学原理的一次假想和深入探讨，也成为20世纪初信息论、系统论、控制论的重要讨论问题之一。
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